2.3　金属切削刀具

2.3.1　刀具材料

刀具材料一般是指刀具切削部分的材料。它的性能优劣是影响加工表面质量、切削效率、刀具寿命等的重要因素。

各种类型的金属切削刀具大都分成两大组成部分——夹持部分和工作部分。前者的作用是将刀具夹持在机床上，并要保证刀具的正确位置，传递所需要的运动和动力，还要保证夹固可靠，装卸方便。工作部分有些又分切削部分和校准部分（如钻头、铰刀等），但多数刀具则无校准部分（如车刀、刨刀、铣刀），切削部分担负主要切削工作，校准部分则完成辅助的切削工作，用来修整、刮光工件表面和导向，使工件的形状和尺寸更精确，表面更光洁。

夹持部分的材料一般多用中碳钢，而切削部分材料的种类较多，要根据不同的加工要求选择合适的材料。所谓刀具材料通常是指切削部分材料。

1. 刀具材料应具有的性能

金属切削过程中，由于塑性变形以及摩擦，使刀具切削部分直接受到高温、高压以及强烈的摩擦作用，此外还要受到冲击与振动。在断续切削工作时，还伴随着冲击与振动，引起切削温度的波动。为了防止刀具快速磨损，因此，刀具材料必须具备下列基本性能要求。

（1）高的硬度和耐磨性　即刀具材料应具有比被切削材料更高的硬度和抵抗磨损的能力。一般刀具材料在常温下硬度应在60HRC以上。刀具材料的硬度越高，耐磨性越好。

（2）足够的强度和韧性　刀具材料不仅要求有高的硬度和耐磨性，还应保持有足够的强度和韧性，以承受切削时产生的冲击和振动，避免崩刃和折断。

（3）高的耐热性　耐热性也称热硬性，是指刀具材料在较高温度下仍能保持高的硬度、好的耐磨性和较高的强度等综合性能。耐热性是刀具切削部分材料的主要性能。耐热性越好的材料允许的切削速度越高。

（4）良好的工艺性与经济性　即刀具材料应具有较好的可加工性、可磨削性、热处理性（变形小、淬透性好等）、焊接性、刃磨性能等。另外，在满足使用性能的前提下，还应考虑其经济性，经济性差的刀具材料很难推广使用。

（5）良好的导热性和较小的膨胀系数　导热性越好，刀具传出的热量越多，有利于降低切削温度和提高刀具的使用寿命。膨胀系数小，有利于减小刀具的热变形。

2.常用刀具材料

刀具材料的种类很多，常用的刀具材料分为四大类：工具钢（包括碳素工具钢、合金工具钢、高速钢）、硬质合金、陶瓷、超硬刀具材料。一般机加工使用最多的是高速钢与硬质合金。各类刀具材料所适应的切削范围如图2-20所示。

工具钢耐热性差，但抗弯强度高，价格便宜，焊接与刃磨性能好，故广泛用于中、低速切削的成形刀具，不宜高速切削。硬质合金耐热性好，切削效率高，但刀片强度、韧性不及工具钢，焊接刃磨工艺性也比工具钢差，故多用于制作车刀、铣刀及各种高效切削刀具。

一般刀体均用普通碳钢或合金钢制作。如焊接车刀、镗刀的刀柄、钻头、铰刀的刀体常用45钢或40Cr制造。尺寸较小的刀具或切削负荷较大的刀具宜选用合金工具钢或整体高速钢制作，如螺纹刀具、成形铣刀、拉刀等。

机夹、可转位硬质合金刀具、镶硬质合金钻头、可转位铣刀等，可用合金工具钢制作，如9CrSi或GCr15等。

对于一些尺寸较小的精密孔加工刀具，如小直径镗刀、铰刀，为保证刀体有足够的刚度，宜选用整体硬质合金制作，以提高刀具的切削用量。

3.工具钢

用来制造刀具的工具钢主要有三种，即碳素工具钢、合金工具钢和高速钢。

（1）碳素工具钢　是一种含碳量较高的优质钢，含碳量在0.7%～1.2%之间。其特点是淬火后硬度可达61～65HRC，而且价格低廉，但这种材料不耐高温，在切削温度高于250～300℃时，马氏体要分解，使得硬度降低；碳化物分布不均匀，淬火后变形较大，易产生裂纹；淬透性差，淬硬层薄。常用于制造低速、简单的手工工具，如锉刀、手用锯条、丝锥和板牙等。一般允许的切削速度为8m/min，常用的牌号有T8、T10、T10A、T12、T12A，其中以T12A用得最多，其含碳量为1.15%～1.2%，淬火后硬度可达58～64HRC，热硬性达250～300℃，允许切削速度可达vc=5m/min～10m/min。

（2）合金工具钢　合金工具钢是在高碳钢中加入Si、Cr、W、Mn等合金元素，其目的是提高淬透性和回火稳定性，细化晶粒，减小变形。热硬性达325～400℃，允许切削速度可达vc=10～15m/min。常用于制造低速（允许的切削速度可比碳素工具钢提高20%左右）、复杂的刀具（如铰刀、板牙、丝锥等），常用的牌号有铬钨锰钢（CrWMn）和铬硅钢（9CrSi）等。

（3）高速钢　高速钢是含有W、Mo、Cr、V等合金元素较多的合金工具钢。高速钢是综合性能较好、应用范围最广的一种刀具材料。热处理后硬度达62～65HRC，抗弯强度约3.3GPa，耐热性为600℃左右，允许的切削速度为30～50m/min。此外还具有热处理变形小、能锻造、易磨出较锋利的刃口等优点。高速钢的使用约占刀具材料总量的60%～70%，特别是用于制造结构复杂的成形刀具、孔加工刀具，例如各类钻头、铣刀、拉刀、螺纹刀具、切齿刀具等。高速钢的物理力学性能见表2-5。

注：牌号中化学元素后面数字表示质量分数的大致百分比，未注者在1%左右。

高速钢按其用途和性能可分为通用高速钢和高性能高速钢两类。

①通用高速钢　这类高速钢应用最为广泛，约占高速钢总量的75%。按钨、钼含量不同，分为钨系、钨钼系。主要牌号有以下几种。

W18Cr4V（钨系高速钢），具有较好的综合性能。因含钒量少，刃磨工艺性好。淬火时过热倾向小，热处理控制较容易。缺点是碳化物分布不均匀，不宜作大截面的刀具。热塑性较差。又因钨价高，国内使用逐渐减少，国外已很少采用。

W6Mo5Cr4V（钨钼系高速钢），是国内外普遍应用的牌号。其减少钢中的合金元素，降低钢中碳化物的数量及分布的不均匀性，有利于提高热塑性、抗弯强度与韧度。主要缺点是淬火温度范围窄，脱碳过热敏感性大。

W9Mo3Cr4V（钨钼系高速钢），是根据我国资源研制的牌号。其抗弯强度与韧性均比W6Mo5Cr4V好。高温热塑性好，而且淬火过热、脱碳敏感性小，有良好的切削性能。

②高性能高速钢　在通用型高速钢中增加碳、钒，添加钴或铝等合金元素的新钢种。其常温硬度可达67～70HRC，耐磨性与耐热性有显著提高，能用于不锈钢、耐热钢和高强度钢的加工。常用高性能高速钢主要有：高钒高速钢、钴高速钢和铝高速钢。

③粉末冶金高速钢　通过高压惰性气体或高压水雾化高速钢水而得到细小的高速钢粉末，然后压制或热压成形，再经烧结而成的高速钢。粉末冶金高速钢与熔炼高速钢相比有很多优点，如硬度与韧性较高，热处理变形小，磨削加工性能好，材质均匀，质量稳定可靠，刀具使用寿命长。可以切削各种难加工材料，适合于制造各种精密刀具和形状复杂的刀具，如精密螺纹车刀、拉刀、切齿刀具等。

4.硬质合金

目前常用的硬质合金是由硬度和熔点都很高的碳化钨（WC）、碳化钛（TiC）等金属碳化物做基体，以钴（Co）作黏结剂，用粉末冶金法制成的合金。硬质合金的物理力学性能取决于合金的成分、粉末颗粒的粗细及合金的烧结工艺。含高硬度、高熔点的硬质相愈多，合金的硬度与高温硬度愈高。含黏结剂愈多，强度也就愈高。常用的硬质合金牌号中含有大量的WC、TiC，因此硬度、耐磨性、耐热性均高于工具钢。常温下硬度达89～94HRA（相当于70～75HRC），耐热性达800～1000℃，故其允许的切削速度可达100～300m/min，这是硬质合金得到广泛应用的主要原因，切削钢时，切削速度可达220m/min左右。在合金中加入熔点更高的TaC、NbC，可使耐热性提高到1000～1100℃，切削钢时，切削速度可进一步提高到200～300m/min。硬质合金是当今主要的刀具材料之一，大多数车刀、端铣刀和部分立铣刀等均已采用硬质合金制造。

硬质合金按其化学成分与使用性能分为三类，即钨钴类硬质合金YG（WC+Co）、钨钛钴类硬质合金YT（WC+TiN+Co）、钨钛钽钴类硬质合金YW［WC+TiC+TaC（NbC）+Co］。常用硬质合金成分和性能见表2-6。

（1）钨钴类硬质合金（YG类）　由碳化钨和钴组成。这类合金因为含钴较多，故韧性较好，而硬度和耐磨性稍差，适于加工铸铁、青铜等脆性材料。常用的这类合金按含钴量的不同可分为YG3、YG6、YG8等牌号。其中数字表示含钴量的高低，数字越大，表示含钴量越高，含碳化钨的量越低，故韧性越高，硬度及耐磨性越差，因此，依次适用于精加工、半精加工和粗加工。

（2）钨钛钴类硬质合金（YT类）　由碳化钨、碳化钛和钴组成。这类合金由于加入碳化钛，因而其耐磨性及热硬性更高，能耐900～1000℃，但性脆不耐冲击，宜用于加工塑性材料，如钢件。常用的牌号有YT5、YT14、YT15、YT30等，其中数字表示碳化钛的含量，数字越大则表示碳化钛的含量就越多，耐磨性也就越高，但钴的含量则相应降低，韧性因之降低，所以它们依次适用于粗加工、半精加工和精加工。

（3）钨钛钽钴类硬质合金（YW类）　在钨钛钴类硬质合金中加入碳化钽（TaC）或碳化铌（NbC）稀有难熔金属碳化物，具有较好的综合切削性能，人们常称“万能合金”，既能加工脆性材料，又能加工塑性材料。但是，这类合金的价格比较高，主要用于加工难加工材料。

注：Y—硬质合金；G—钴，其后数字表示含钴量（质量）；X—细晶粒；T—TiC，其后数字表示TiC含量（质量）；A—含TaC（NbC）的钨钴类合金；W—通用合金；N—以镍、钼作黏结剂的TiC基合金。

上述三类硬质合金的应用是指在一般条件下，而在某些特殊条件下尚可灵活应用，例如切速不太高或充分使用冷却润滑液（切削液）的条件下，车削某些钢件，如大的铸钢件时，采用耐冲击性较好的YG类合金刀片较之YT类更为有利。常用硬质合金牌号的选用见表2-7。

5.陶瓷材料

陶瓷刀具材料是以氧化铝（Al2O3）或以氮化硅（Si3N4）为基体再添加少量金属，在高温下烧结而成的一种刀具材料。主要特点是：

①有高硬度与耐磨性，常温硬度达91～95HRA，超过硬质合金，因此可用于切削60HRC以上的硬材料；

②有高的耐热性，1200℃下硬度为80HRA，强度、韧性降低较少；

③有高的化学稳定性，在高温下仍有较好的抗氧化、抗黏结性能，因此刀具的热磨损较少；

④有较低的摩擦系数，切屑不易粘刀，不易产生积屑瘤；

⑤强度与韧性低，强度只有硬质合金的1/2，因此陶瓷刀具切削时需要选择合适的几何参数与切削用量，避免承受冲击载荷，以防崩刃与破损；

⑥热导率低，仅为硬质合金的1/2～1/5，热胀系数比硬度合金高10%～30%，这就使陶瓷刀抗热冲击性能较差，故陶瓷刀切削时不宜有较大的温度波动。

陶瓷刀具一般适用于在高速下精细加工硬材料。但近年来发展的新型陶瓷刀具也能半精或粗加工多种难加工材料，有的还可用于铣、刨等断续切削。其使用寿命、加工效率和已加工表面质量常高于硬质合金刀具，能承受更高的切削速度。但陶瓷材料性脆怕冲击，容易崩刃，影响推广使用。氧化铝的价格低廉，原料丰富，很有发展前途。如何提高其冲击韧性及抗弯强度，已成为各国研究工作的重点。近年来各国先后研究成功“金属陶瓷”，其成分除Al2O3外，还含有各种金属元素，抗弯强度已有提高。

6.金刚石

金刚石是碳的同素异形体，是目前已知的最硬物质，显微硬度达10000HV。金刚石有天然和人造之分。天然金刚石质量好，但价格昂贵，主要用于有色金属及非金属的精密加工。天然金刚石有一定的方向性，不同的晶面上硬度与耐磨性有较大的差异，刃磨时需选定某一平面，否则影响刃磨与使用质量。人造金刚石是通过合金触媒的作用，在高温高压下由石墨转化而成。

金刚石具有极高的耐磨性，能保持长期的锋利的切削刃，因而在精密切削加工中都采用金刚石刀具，金刚石刀具用于切削加工很多耐磨非铁材料如陶瓷、刚玉、玻璃等的精加工，以及难加工的复合材料的加工。不但寿命长，生产效率高，因此应用越来越广。金刚石刀具不适宜加工黑色金属。

7.立方氮化硼（CBN）

立方氮化硼是由六方氮化硼（白石墨）在高温高压下转化而成的。

立方氮化硼刀具的主要优点是：有很高的硬度与耐磨性，硬度达3500～4500HV，仅次于金刚石；有很高的热稳定性，1300℃时不发生氧化，与大多数金属、铁系材料都不起化学作用。因此能高速切削高硬度的钢铁材料及耐热合金，刀具的黏结与扩散磨损较小；有较好的导热性，与钢铁的摩擦系数较小；抗弯强度与断裂韧性介于陶瓷与硬质合金之间。切削性能好，不但适用于非铁族难加工材料的加工，也适用于铁族材料的加工。

CBN和金刚石刀具脆性大，故使用时机床刚性要好，主要用于连续切削，尽量避免冲击和振动。

8.其他新型刀具材料简介

随着科学技术和工业的发展，出现一些高强度、高硬度的准加工材料的工件，要求性能更好的刀具材料进行切削，推动了国内外对新型刀具材料进行大量的研究和试验。

（1）高速钢的改进　通过调整基本化学成分和添加其他含金元素，使其性能进一步提高。例如，钴高速钢（110W1.5Mo9.5Cr4VCo8）是通过添加钴元素使其硬度及热硬性都有提高，但由于含钴较多不适于我国资源状况。立足于我国资源状况已研制成铝高速钢，即添加了铝等元素（如W6Mo5Cr4V2Al），它的硬度可达70HRC，耐热性超过600℃，是一种高性能高速钢。

近年来又出现粉末冶金高速钢，其基本原理是将高频感应炉熔炼的钢液用高压惰性气体（氩气）雾化成粉末，再经过冷压和热压（同时进行烧结）制成致密钢坯，然后用一般方法轧制和锻造成材。粉末冶金法制造高速钢可细化晶粒，消除碳化物偏析，所以韧性大，硬度较高，材质均匀，热处理变形小，适于制造各种高精度刀具。

（2）涂层硬质合金　涂层硬质合金是20世纪60年代出现的刀具材料。采用化学气相沉积（CVD）工艺，在硬质合金表面涂覆一层或多层（5～13μm）难溶金属碳化物。如前所述硬质合金的缺点是强度和韧性低，耐冲击性差。改进的方法是添加少量的碳化钽（TaC）、碳化铌（NbC）等和细化晶粒。例如在普通YT类硬质合金中加入少量的碳化钽后，既可加工特种铸铁，也可加工耐热钢、高锰钢等特种钢材，故有通用硬质合金之称。国产的YW1、YW2等牌号便是。又如在YG类硬质合金中加入少量的碳化铌后，也适于加工奥氏体不锈钢、耐热钢等特种钢和铸铁等材料，国产的YA6牌号便是。

近年来还发展了涂层刀片，就是在韧性较好的硬质合金（YG类）基体表面，涂覆一层（5～12μm）硬度和耐磨性很高的物质（如TiC或TiN），得到既有高硬度和高耐磨性的表面，又有韧性较好的基体。目前涂层硬质合金主要用于半精加工和精加工，并为不重磨刀片（又称可转位刀片）的推广提供了良好的条件。随着涂层技术的发展和工艺的改进，它的应用将会进一步扩大。

（3）人造金刚石　它的硬度极高（接近10000HV，而硬质合金仅达1000～2000HV），耐热性为700～800℃，粒度一般在0.5mm以内。大颗粒金刚石分单晶和聚晶两种。聚晶金刚石大颗粒可制成一般切削刀具，单晶微粒者主要制成砂轮。金刚石除去可以加工高硬度而耐磨的硬质合金、陶瓷、玻璃等材料外，还可以加工有色金属及其合金，但不宜加工铁族金属，这是由于铁和碳原子的亲和力较强，易产生黏结作用而加快刀具磨损。用金刚石车刀高速精车有色金属时，表面粗糙度值很小；用金刚石砂轮磨削硬质合金刀具时，质量好，效率高。

2.3.2　金属切削刀具的种类和用途

在机械加工中，常用的金属切削刀具有车刀、孔加工刀具（中心钻、麻花钻、扩孔钻、铰刀等）、磨削刀具、铣刀和齿轮刀具等。在大批量生产和加工特殊形状零件时，采用专用刀具、组合刀具和特殊刀具。在加工过程中，为了保证零件的加工质量、提高生产率和经济效益，应合理地选用相应的各种类型刀具。

1.车刀

车刀是金属切削加工中应用最广的一种刀具。由于零件的形状、大小和加工要求不同，采用的车刀也不相同。车刀的种类很多，用途各异，它可以在车床上加工外圆、端面、螺纹、内孔，也可用于切槽和切断等。

（1）按用途分类　车刀按其用途可分为外圆车刀、内孔车刀、端面车刀、切断车刀、螺纹车刀等，如图2-21所示。

外圆车刀又分直头和弯头车刀，还常以主偏角的数值来命名，如κr=90°时称为90°外圆车刀，κr=45°时称为45°外圆车刀。

下面分别介绍它们的使用用途。

①外圆车刀　又称尖刀，主要用于车削外圆、平面和倒角。外圆车刀一般有四种形状。

a.直头车刀　主偏角与副偏角基本对称，一般在45°左右，前角可在5°～30°之间选用，后角一般为6°～12°， 主要用于车削不带台阶的光轴。

b. 45°弯头车刀　主要用于车削不带台阶的光轴和平面，它可以车外圆、端面和倒角，使用比较方便，刀头和刀尖部分强度高。

c. 75°强力车刀　主偏角为75°，适用于粗车加工余量大、表面粗糙、有硬皮或形状不规则的零件，它能承受较大的冲击力，刀头强度高，耐用度高。

d. 90°外圆车刀　90°外圆车刀的主偏角为90°，用来车削工件的端面和台阶，有时也用来车外圆，特别是用来车削细长工件的外圆，可以避免把工件顶弯。90°外圆车刀分为左车刀和右车刀两种，常用的是右车刀，它的刀刃向左。

②切断刀和切槽刀

a.切断刀的刀头较长，其刀刃亦狭长，这是为了减少工件材料消耗和切断时能切到中心的缘故。因此，切断刀的刀头长度必须大于工件的半径。

b.切槽刀与切断刀基本相似，只不过其形状应与槽的形状一致，但刀头相对较短。

③扩孔刀　又称镗孔刀，用来加工内孔。它可以分为通孔刀和不通孔（盲孔）刀两种。

a.通孔刀的主偏角小于90°，一般在45°～75°之间，副偏角20°～45°，扩孔刀的后角应比外圆车刀稍大，一般为10°～20°。

b.不通孔刀的主偏角应大于90°，刀尖在刀杆的最前端，为了使内孔底面车平，刀尖与刀杆外端距离应小于内孔的半径，扩孔刀的长度和大小应与加工的孔相配套。

④螺纹车刀　螺纹按牙型有三角形、方形和梯形等，相应使用三角形螺纹车刀、方形螺纹车刀和梯形螺纹车刀等。螺纹的种类很多，其中以三角形螺纹应用最广。采用三角形螺纹车刀车削公制螺纹时，其刀尖角必须为60°，前角取0°。

（2）按结构分类　车刀按结构可分为整体式车刀、焊接式车刀、焊接装配式车刀、机夹式车刀和可转位式车刀等。

①整体式车刀　如图2-22所示，用整块高速钢做成长条形状，俗称“白钢刀”。刃口可磨得较锋利，主要用于小型车床或加工有色金属。

②焊接式车刀　如图2-23所示，它是将一定形状的刀片和刀柄用紫铜或其他焊料通过镶焊连接成一体的车刀，一般刀片选用硬质合金，刀柄用45钢。

焊接式车刀结构简单，制造方便，可根据需要刃磨，硬质合金利用充分，但其切削性能取决于工人的刃磨水平，并且焊接时会降低硬质合金硬度，易产生热应力，严重时会导致硬质合金裂纹，影响刀具寿命。此外，焊接车刀刀杆不能重复使用，刀片用完后，刀杆也随之报废。一般车刀，特别是小车刀多为焊接车刀。

③焊接装配式车刀　如图2-24所示，它是将硬质合金刀片钎焊在小刀块上，再将小刀块装配到刀杆上。焊接装配车刀多用于重型车刀，采用装配式结构以后，可使刃磨省力，刀杆也可重复使用。

④机夹式车刀　如图2-25所示，机夹式车刀是指用机械方法定位，夹紧刀片，通过刀片体外刃磨与安装倾斜后，综合形成刀具角度的的车刀。机夹车刀可用于加工外圆、端面、内孔车槽、车螺纹等。

⑤可转位式车刀　如图2-26所示，可转位式车刀是将可转位刀片用机械夹固的方法装夹在特制刀杆上的一种车刀。它由刀片、刀垫、刀柄及刀杆、螺钉等元件组成。刀片上压制出断屑槽，周边经过精磨，刃口磨钝后可方便转位换刀，不需重磨就可使新的切削刃投入使用，只有当全部切削刃都用钝后才需更换新刀片。

主要优点是：不用焊接，避免了焊接、刃磨引起的热应力，提高刀具寿命及抗破坏能力；可使用涂层刀片，有合理槽形与几何参数，断屑效果好，能选用较高切削用量，提高生产率；刀片转位、更换方便，缩短了辅助时间；刀具已标准化，能实现一刀多用，减少刀具储备量，简化刀具管理等工作。

可转位式车刀刀片形状很多，常用的有三角形、偏8°三角形、凸三角形、五角形和圆形等。如图2-27所示。

⑥成形车刀　如图2-28所示。成形车刀又称样板刀，是在普通车床、自动车床上加工内外成形表面的专用刀具。用它能一次切出成形表面，故操作简便、生产率高。用成形车刀加工零件可达到公差等级IT10～IT8，粗糙度Ra10～5μm。成形刀制造较为复杂，当切削刃的工作长度过长时，易产生振动，故主要用于批量加工小尺寸的零件。

2.孔加工刀具

机械加工中的孔加工分为两类：一类是在实体工件上加工出孔的刀具，如扁钻、麻花钻、中心钻及深孔钻等；另一类是对已有孔进行再加工的刀具，如扩孔钻、锪钻、铰刀及镗刀等。

（1）扁钻　如图2-29所示。扁钻是使用最早的钻孔刀具。特点是结构简单、刚性好、成本低、刃磨方便。扁钻有整体式和装配式两种。

（2）麻花钻　如图2-30所示。麻花钻是使用最广泛的一种孔加工刀具，不仅可以在一般材料上钻孔，经过修磨还可在一些难加工材料上钻孔。

麻花钻属于粗加工刀具，其常用规格为ϕ0.1～ϕ80mm，可达到的尺寸公差等级为IT13～IT11，表面粗糙度Ra值为25～12.5μm。呈细长状，麻花钻的工作部分包括切削部分和导向部分。两个对称的、较深的螺旋槽用来形成切削刃和前角，并起着排屑和输送切削液的作用。沿螺旋槽边缘的两条棱边用于减小钻头与孔壁的摩擦面积。切削部分有两个主切削刃、两个副切削刃和一个横刃。横刃处有很大的负前角，主切削刃上各点前角、后角是变化的，钻心处前角接近0°，甚至负值，对切削加工十分不利。

钻削加工中最常用的刀具为麻花钻，按柄部形状分为直柄麻花钻和锥柄麻花钻；按制造材料分为高速钢麻花钻和硬质合金麻花钻。硬质合金麻花钻一般制成镶片焊接式，直径5mm以下的硬质合金麻花钻通常制成整体式。

①麻花钻结构要素　图2-31为麻花钻的结构图，它由工作部分、柄部和颈部所组成。

a.工作部分　麻花钻工作部分分为切削部分和导向部分。

（a）切削部分　切削部分担负主要的切削工作，包含以下结构要素。

前刀面：毗邻切削刃，是起排屑和容屑作用的螺旋槽表面。

后刀面：位于工作部分前端，与工件加工表面（即孔底的锥面）相对的表面，其形状由刃磨方法决定，在麻花钻上一般为螺旋圆锥面。

主切削刃：前刀面与后刀面的交线。由于麻花钻前刀面与后刀面各有两个，所以主切削刃有两条。

横刃：两个后刀面相交所形成的刀刃。它位于切削部分的最前端，切削被加工孔的中心部分。

副切削刃：麻花钻前端外圆棱边与螺旋槽的交线。显然，麻花钻上有两条副切削刃。

刀尖：两条主切削刃与副切削刃相交的交点。

（b）导向部分　用于钻头在钻削过程中的导向，并作为切削部分的后备部分。它包含了刃沟、刃瓣、刃带。刃带是其外圆柱面上两条螺旋形的棱边，由它们控制孔的廓形和直径，保持钻头进给方向。为减少刃带与已加工孔孔壁之间的摩擦，一般将麻花钻的直径沿锥柄方向做成逐渐减小的锥度，形成倒锥，相当于副切削刃的副偏角。

b.柄部　用于装夹钻头和传递动力。钻头直径小于13mm时，通常做成直柄（圆柱柄），直径在13mm以上时，做成莫氏锥度的圆锥柄。

c.颈部　是柄部与工作部分的连接部分，并作为磨外径时砂轮退刀和打印标记处。直柄麻花钻不做出颈部。

②麻花钻结构参数

a.螺旋角β　钻头刃带棱边螺旋线展开成直线后与钻头轴线的夹角，相当于副切削刃刃倾角，如图2-32所示。

tanβ=πd/P

式中　P——螺旋槽导程，mm；

d——钻头外径，mm。

标准麻花钻的螺旋角一般为25°～32°。增大螺旋角有利于排屑，能获得较大前角，使切削轻快，但钻头刚性变差。小直径钻头，为提高钻头刚性，螺旋角β可取小些。钻软材料、铝合金时，为改善排屑效果，β角可取大些。图2-32中βx为切削刃上x点的螺旋角，rx为该点到中心的距离。

b.直径d　麻花钻的直径是钻头两刃带之间的垂直距离，其大小按标准尺寸系列和螺纹孔的底孔直径设计。

③麻花钻的标注参考系　麻花钻具有较复杂的外形和切削部分：为便于标注其几何参数，依据麻花钻的结构特点和工作时的运动特点，除基面pr、切削平面ps、正交平面po外，还使用了端平面pt、柱剖面pz和中剖面pc ，其定义分别如下。

端平面pt：与麻花钻轴线垂直的平面。该平面也是切削刃上任意一点的背平面pp，并垂直于该点的基面。

柱剖面pz：主切削刃上任一点的柱剖面是通过该点，并以该点的回转半径为半径和以麻花钻轴线为轴心的圆柱面。它与该点的工作平面pf相切，并与基面在该点垂直。

中剖面pc：通过麻花钻轴线，并与两主切削刃相平行的轴向剖面。

图2-33所示为麻花钻的标注参考系。与车刀的标注参考系相比，虽然基面、切削平面、正交平面的定义相同，但位置不同。外圆车刀上各点的基面相互平行，而麻花钻的主切削刃上各点的切削速度方向不同，基面的位置也不同（过轴心线并与选定点的速度方向垂直）。相应各点的切削平面和正交平面的位置也不相同。

④麻花钻的几何角度

a.顶角2ϕ　如图2-32所示，它是两主切削刃在中剖面内投影的夹角。顶角越小，则主切削刃越长，切削宽度增加，单位切削刃上的负荷减轻，轴向力减小，这对钻头轴向稳定性有利。且外圆处的刀尖角增大，有利于散热和提高刀具耐用度。但顶角减小会使钻尖强度减弱，切屑变形增大，导致扭矩增加。标准麻花钻的顶角2ϕ约为118°±2°。

b.主偏角κr和端面刃倾角λt　麻花钻主切削刃上选定点的主偏角，是在该点基面上主切削刃投影与钻削进给方向之间的夹角。由于麻花钻主切削刃上各点基面不同，各点的主偏角也随之改变。麻花钻磨出顶角2ϕ后，各点的主偏角也就确定了，如图2-34所示。它们之间的关系为

tanκr=tanϕcosλt

式中　λt—— 选定点的端面刃倾角，它是主切削刃在端面中的投影与该点的基面之间的夹角。

由于切削刃上各点的刃倾角绝对值从外缘到钻心逐渐变大，所以切削刃上各点的主偏角κr也是外缘处大，钻心处小。

c.前角γox　在正交平面pox—pox内前刀面和基面间的夹角，如图2-34所示。主切削刃上任一选定点的前角γox与该点的螺旋角βx、主偏角κr以及刃倾角的关系为

tanγox=tanβx/sinκrx+tanλtxcosκrx

由上式可知，由于βx从外径向钻心逐渐减小，λtx也逐渐减小（负值增大），在κrx一定时，前角γox变小，约由+30°减小到-30°，靠近钻头中心处切削条件很差。

d.后角αf　麻花钻主切削刃上选定点的后角，用柱剖面中的轴向后角αf（相当于假定工作面内的后角）来表示，如图2-34中的αfx。这个后角在一定程度上反映钻头作圆周运动时，后刀面与孔底加工表面之间的摩擦情况，也能直接反映出进给量对后角的影响，同时，αf角也便于测量。

钻头后角是刃磨得到的。刃磨时，要注意使其外缘处的后角磨得小些（约8°～10°），靠近钻心处磨得大些（约20°～25°）。这样可以与切削刃上各点前角的变化相适应，使各点的楔角大致相等，散热体积基本一致，从而达到其锋利程度、强度、耐用度的相对平衡，又能弥补由于钻头轴向进给运动而使刀刃上各点实际工作后角减少所产生的影响，同时还可改善横刃的工作条件。钻头的名义后角是指外圆处的后角。

e.横刃角度　如图2-35所示，横刃是麻花钻端面上一段与轴线垂直的切削刃，该切削刃的角度包括横刃斜角ψ、横刃前角γoψ、横刃后角αoψ。

（a）横刃斜角ψ　在端平面中，横刃与主切削刃之间的夹角。它是刃磨钻头时自然形成的，顶角、后角刃磨正常的标准麻花钻ψ=47°～55°，后角越大，ψ角越小。ψ角减小会使横刃的长度增大。

（b）横刃前角γoψ　由于横刃的基面位于刀具的实体内，故横刃前角γoψ为负值。

（c）横刃后角αoψ　横刃后角αoψ=90°-|γoψ|。

对于标准麻花钻，γoψ=-（54°～60°），αoψ=30°～36°。故钻削时横刃处金属挤刮变形严重，轴向力很大。实验表明，用标准麻花钻加工时，约有50%的轴向力由横刃产生。对于直径较大的麻花钻，一般均需修磨横刃以减小轴向力。

（3）中心钻　中心钻是用来加工轴类零件中心孔的刀具，其结构主要有三种形式：带护锥中心钻［见图2-36（a）］、无护锥中心钻［见图2-36（b）］和弧形中心钻［见图2-36（c）］。

（4）深孔钻　通常把孔深与孔径之比大于5～10倍的孔称为深孔，加工所用的钻头称为深孔钻。

由于孔深与孔径之比大，钻头细长，强度和刚度均较差，工作不稳定，易引起孔中心线的偏斜和振动。由于孔深度大，容屑及排屑空间小，切屑流经的路程长，切屑不易排除；深孔钻头是在封闭状态下工作，切削热不易散出，必须设法采取措施确保切削液的顺利进入，充分发挥冷却和润滑作用。

深孔钻有很多种，常用的有外排屑深孔钻（图2-37）、内排屑深孔钻（图2-38）和喷吸钻（图2-39）等。

喷吸方式常见的深孔钻有喷吸钻，由钻头、内管和外管三部分组成，如图2-39所示。

（5）扩孔钻　如图2-40所示。扩孔钻专门用来扩大已有孔，它比麻花钻的齿数多（3～4个），容屑槽较浅，无横刃，工作部分短，强度和刚度均较高，导向性和切削性较好，加工质量和生产效率比麻花钻高。扩孔公差等级为IT10～IT9，表面粗糙度Ra值为6.3～3.2μm，属于半精加工。

常用的扩孔钻有高速钢整体扩孔钻、高速钢镶套式扩孔钻及硬质合金镶齿套式扩孔钻。

用扩孔工具对已有孔（钻、铸、锻）进行扩大的一种加工方法，扩孔工具有麻花钻和扩孔钻两种，精度要求不高的孔可用麻花钻扩孔，精度要求较高的孔须用扩孔钻进行扩孔。

（6）锪钻　如图2-41所示。锪钻用于加工各种埋头螺钉沉孔、锥孔和凸台面等。常见的锪钻有三种：圆柱形沉头锪钻［图2-41（a）］、锥形沉头锪钻［图2-41（b）］及端面凸台锪钻［图2-41（c）］。

（7）铰刀　铰孔时，铰刀从工件孔壁上切除微量金属层，以提高其尺寸精度和减小其表面粗糙度值，铰孔是孔的精加工方法之一。铰孔加工精度可达IT9～IT7级，表面粗糙度一般达Ra1.6～0.8μm。机铰生产率高，劳动强度小，适宜于大批大量生产。

经过铰孔的工件，孔既光洁又精确，不仅质量好，效率高，而且操作也很方便，在批量生产中已经被广泛采用。铰孔前一般先进行扩孔或车孔等半精加工，并留适当加工余量，一般为0.08～0.15mm。铰孔可以在车床、钻床、镗床上进行机械铰孔，也可以将工件装夹在台虎钳上进行手工铰孔。

①常用铰刀的类型　如图2-42所示。

②铰刀的结构　铰刀由工作部分、颈部和柄部组成，铰刀的组成，如图2-43所示。

常用的铰刀可分为手用铰刀和机用铰刀，手用铰刀用于手工铰孔，工作部分比较长，柄部为直柄；机用铰刀的工作部分比较短，多为锥柄，装夹在钻床或车床上进行铰孔。

③保证铰孔时的加工质量应注意问题

a.合理选择铰削余量和切削规范，铰孔的余量视孔径和工件材料及精度要求等而异。对孔径为ϕ5～ϕ80mm ，精度为 IT7～IT10 级的孔，一般分粗铰和精铰。余量太小时，往往不能全部切去上工序的加工痕迹，同时由于刀齿不能连续切削而以很大的压力沿孔壁打滑，使孔壁的质量下降；余量太大时，则会因切削力大，发热多引起铰刀直径增大及颤动，致使孔径扩大。加工余量可参见表2-8。

b.合理选用切削速度可以减少积屑瘤的产生，防止表面质量下降。

铰削铸铁时可选为8～10m/min；铰削钢时的切削速度要比铸铁时低，粗铰为4～10m/min，精铰为1.5～5m/min 。铰孔的进给量也不能太小，因进给量过小会使切屑太薄，致使刀刃不易切入金属层面打滑，甚至产生啃刮现象，破坏了表面质量，还会引起铰刀振动，使孔径扩大。

c.合理选择底孔。底孔（即前道工序加工的孔 ）好坏，对铰孔质量影响很大。底孔精度低，就不容易得到较高的铰孔精度。例如上一道工序造成轴线歪斜，由于铰削量小，且铰刀与机床主轴常采用浮动连接，故铰孔时就难以纠正。对于精度要求高的孔，在精铰前应先经过扩孔、镗孔或粗铰等工序，使底孔误差减小，才能保证精铰质量。

d.合理使用铰刀。铰刀是定尺寸精加工刀具，使用得合理与否，将直接影响铰孔的质量。铰刀的磨损主要发生在切削部分和校准部分交接处的后刀面上。随着磨损量的增加，切削刃钝圆半径也逐渐加大，致使铰刀切削能力降低，挤压作用明显，铰孔质量下降，实践经验证明，使用过程中若经常用油石研磨该交接处，可提高铰刀的耐用度。铰削后孔径是扩大或收缩以及其数值的大小，与具体加工情况有关。在批量生产时，应根据现场经验或通过试验来确定，然后才能确定铰刀外径，并研磨铰刀。为了避免铰刀轴线或进给方向与机床回转轴线不一致，出现孔径扩大或“喇叭口”现象，铰刀和机床一般不用刚性连接，而可采用浮动夹头来装夹刀具。

⑤正确选择切削液。铰削时切削液对表面质量有很大影响，铰孔时正确选用切削液，对降低摩擦系数，改善散热条件以及冲走细屑均有很大作用，因而选用合适的切削液除了能提高铰孔质量和铰刀耐用度外，还能消除积屑瘤，减少振动，降低孔径扩张量。

浓度较高的乳化油对降低粗糙度的效果较好，硫化油对提高加工精度效果较明显。铰削一般钢材时，通常选用乳化油和硫化油。铰削铸铁时，一般不加切削液，如要进一步提高表面质量，也可选用润湿性较好、黏性较小的煤油做切削液。

（8）镗刀　镗刀用于加工机座、箱体、支架等外形复杂的大型零件上的直径较大的孔（d>80mm），特别是有位置精度要求的孔和孔系。镗刀的类型按切削刃数量可分为单刃镗刀、双刃镗刀和多刃镗刀；按工件的加工表面特征可分为通孔镗刀、盲孔镗刀、阶梯孔镗刀和端面镗刀；按刀具结构可分为整体式、装配式和可调式。

镗刀可在车床、镗床或铣床上使用，可加工精度不同的孔，加工精度可达IT7～IT6级，表面粗糙度Ra值达6.3～0.8μm。

①单刃镗刀　普通单刃镗刀只有一条主切削刃在单方向参加切削，其结构简单、制造方便、通用性强，但刚性差，镗孔尺寸调节不方便，生产效率低，对工人操作技术要求高。图2-44为不同结构的单刃镗刀。加工小直径孔的镗刀通常做成整体式，加工大直径孔的镗刀可做成机夹式或机夹可转位式。镗杆不宜太细太长，以免切削时产生振动。镗杆、镗刀头尺寸与镗孔直径的关系见表2-9。

为了使镗刀头在镗杆内有较大的安装长度，并具有足够的位置压紧螺钉和调节螺钉，在镗盲孔或阶梯孔时，镗刀头在镗杆上的安装倾斜角δ一般取10°～45°，镗通孔时取δ=0°，以便于镗杆的制造。通常压紧螺钉从镗杆端面或顶面来压紧镗刀头。新型的微调镗刀调节方便，调节精度高，适用于坐标镗床、自动线和数控机床。

镗刀的刚性差，切削时易引起振动，所以锥刀的主偏角选得较大，以减小径向力Fp。镗铸件孔或精镗时，一般取κr=90°；粗镗钢件孔时，取κr=60°～75°，以提高刀具的耐用度。为避免工件材质不均等原因造成扎刀现象以及使刀头底面有足够支承面积，往往需要使镗刀刀尖高于工件中心Δh值，一般取Δh=1/20D（工件孔径）或更大些，使切削时镗刀的工作前角减小，工作后角增大，所以在选择镗刀头的前、后角时要相应地增大前角，减小后角。

②双刃镗刀　双刃镗刀是定尺寸的镗孔刀具，通过改变两刀刃之间距离，实现对不同直径孔的加工。常用的双刃镗刀有固定式镗刀、可调式双刃镗刀和浮动镗刀三种。

a.固定式镗刀　如图2-45所示，工作时，镗刀块可通过斜楔或者在两个方向倾斜的螺钉等夹紧在镗杆上。镗刀块相对轴线的位置误差会造成孔径的误差。所以，镗刀块与镗杆上方孔的配合要求较高。刀块安装方孔对轴线的垂直度与对称度误差不大于0.01mm。固定式镗刀用于粗镗或半精镗直径大于40mm的孔。

b.可调式双刃镗刀　如图2-46所示，采用一定的机械结构可以调整两刀片之间的距离，从而使一把刀具可以加工不同直径的孔，并可以补偿刀具磨损的影响。

c.浮动镗刀　浮动镗刀（如图2-47所示）特点是镗刀块自由地装入镗杆的方孔中，不需夹紧，通过作用在两个切削刃上的切削力来自动平衡其切削位置，因此它能自动补偿由刀具安装误差、机床主轴偏差而造成的加工误差，能获得较高的孔的直径尺寸精度（IT7～IT6），但它无法纠正孔的直线度误差和位置误差，因而要求预加工孔的直线性好，表面粗糙度不大于Ra3.2μm。主要适用于单件、小批生产加工直径较大的孔，特别适用于加工孔径大（d>200） 而深（L/d>5）的筒件和管件孔。

浮动镗刀的主偏角通常取为κr=1°30'～2°30'，κr角过大，会使轴向力增大，镗刀在刀孔中摩擦力过大，会失去浮动作用。由于镗杆上装浮动镗刀的方孔对称于镗杆中心线，所以在选择前角、后角时，必须考虑工作角度的变化值，以保证切削轻快和加工表面质量。浮动镗削的切削用量一般取为：vc=5～8m/min、f=0.5～1mm/r、ap=0.03～0.06mm。切削钢件时用乳化液或硫化切削油，加工铸铁时用煤油或柴油作切削液。

3.砂轮

砂轮是由磨料加结合剂用烧结的方法而制成的多孔物体。由于磨料、结合剂及制造工艺等的不同，砂轮特性可能相差很大，对磨削的加工质量、生产效率和经济性有着重要影响。图2-48为砂轮结构及磨削示意图。

磨削过程中，磨粒在高速、高压与高温的作用下，将逐渐磨损而变圆钝。圆钝的磨粒，切削能力下降，作用于磨粒上的力不断增大。当此力超过磨粒强度极限时，磨粒就会破碎，产生新的较锋利的棱角，代替旧的圆钝的磨粒进行磨削；此力超过砂轮结合剂的黏结力时，圆钝的磨粒就会从砂轮表面脱落，露出一层新鲜锋利的磨粒，继续进行磨削。砂轮的这种自行推陈出新、保持自身锋锐的性能，称为“自锐性”。

砂轮本身虽有自锐性，但由于切屑和碎磨粒会把砂轮堵塞，使它失去切削能力；磨粒随机脱落的不均匀性，会使砂轮失去外形精度。所以，为了恢复砂轮的切削能力和外形精度，在磨削一定时间后，仍需对砂轮进行修整。

砂轮的特性包括磨料、粒度、硬度、结合剂、组织以及形状和尺寸等。

（1）磨料　磨料分为天然磨料和人造磨料两大类。一般天然磨料含杂质多，质地不匀；天然金刚石虽好，但价格昂贵。所以目前主要采用人造磨料。常用人造磨料可分为氧化物系、碳化物系和超硬磨料系三大类。氧化物系主要成分为Al2O3；碳化物系主要以碳化硅、碳化硼为基体，根据其纯度或添加的金属元素不同又可分为不同品种；超硬磨料系中主要有人造金刚石和立方氮化硼。各种常用磨料的名称、代号、性能和用途见表2-10。

（2）粒度　粒度是指磨料颗粒的大小。GB/T 2481.1—2009《固结磨具用磨料　粒度组成的检测和标记　第1部分：粗磨粒 F4-F220》、GB/T 2481.2—2009《固结磨具用磨料　粒度组成的检测和标记　第2部分：微粉F230-F1200》规定，粒度号以每英寸（25.4mm）筛网长度上筛孔的数目来表示，粒度号越大，表示颗粒越细。一般磨粒（F4-F220，制砂轮用）用筛分法来确定粒度号；微粉F230-F1200用沉降法区别，主要用光电沉降仪区分，多用于研磨等精密加工和超精密加工。

粒度对磨削生产率和加工表面粗糙度影响很大。一般来说，粗磨用粗粒度，精磨用细粒度。当工件材料软、塑性和磨削面积大时，为避免堵塞砂轮采用粗粒度。磨料粒度号和应用见表2-10。

（3）结合剂　把磨粒固结成磨具的材料称为结合剂。结合剂的性能决定了磨具的强度、耐冲击性、耐磨性和耐热性，此外，它对磨削温度和磨削表面质量也有一定的影响。常用结合剂及其选择见表2-10。

（4）硬度　磨粒在磨削力作用下从磨具表面脱落的难易程度称为硬度。砂轮硬度主要由结合剂的强度决定，反映了结合剂固结磨粒的牢固程度，与磨粒本身硬度无关。同一种磨料可以制成不同硬度的砂轮。砂轮硬就是磨粒固结得牢，不易脱落；砂轮软，就是磨粒固结得不太牢，容易脱落。砂轮的硬度对磨削生产率和磨削表面质量都有很大的影响。如果砂轮太硬，磨粒磨钝后仍不能脱落，则磨削效率很低，工件表面粗糙并可能被烧伤。如果砂轮太软，磨粒未磨钝已从砂轮上脱落，砂轮损耗大，形状不易保持，影响工件质量。砂轮的硬度合适，磨粒磨钝后因磨削力增大而自行脱落，使新的锋利的磨粒露出，具有自锐性。砂轮自锐性好，磨削效率高，工件表面质量好，砂轮的损耗也小。

砂轮硬度选择的原则，主要是根据加工工件材料的性质和具体的磨削条件。一般来说，工件材料较硬、砂轮与工件磨削接触面较大、磨削薄壁零件及导热性差的工件（如不锈钢、硬质合金）、砂轮气孔率较低时，需选用较软的砂轮，内圆磨削和端面平磨与外圆磨削相比，半精磨与粗磨相比，树脂与陶瓷相比，选用的砂轮硬度要低些。加工软材料时，因易于磨削，磨粒不易磨钝，砂轮应选硬一些，但对于像有色金属这种特别软而韧的材料，由于切屑容易堵塞砂轮，砂轮的硬度应选得较软一些。精磨和成形磨削时，应选用硬一些的砂轮，以保持砂轮必要的形状精度。

（5）组织　组织表示砂轮中磨料、结合剂和气孔三者体积的比例关系，也表示砂轮结构的紧密或疏松程度。磨粒在砂轮体积中所占比例越大，砂轮的组织越紧密，气孔越小；反之，组织越疏松。根据磨粒在砂轮中占有的体积分数（称磨料率），砂轮的组织可分为紧密、中等、疏松三大类，如图2-49所示，组织号细分为0～14，其中0～3 号属紧密类；4～7 号属中等类；8～14 号属疏松类。

紧密类砂轮，气孔率小，使砂轮变硬，容屑空间小，容易被磨屑堵塞，磨削效率较低。但可承受较大的磨削压力，故适用于在重压力下磨削（如手工磨削以及精磨、成形磨削等）。中等组织的砂轮适用于一般磨削。疏松类砂轮，磨粒占的比例越小，气孔越大，砂轮越不易被切屑堵塞，切削液和空气也易进入磨削区，使磨削区温度降低，工件因发热而引起的变形和烧伤减小，但疏松类砂轮易失去正确廓形，降低成形表面的磨削精度，增大表面粗糙度。故适用于粗磨、平面磨、内圆磨等磨削接触面积较大的工件，以及磨削热敏感性较强的材料、软金属和薄壁工件。常用的组织号为5。砂轮的组织及选择见表2-10。

（6）砂轮的形状、尺寸与标志　为了适应在不同类型的磨床上磨削各种不同形状和尺寸工件的需要，砂轮需制成不同的形状和尺寸。GB/T 2484—2006《固结磨具　一般要求》对砂轮的名称、代号、形状、尺寸标记等作了规定，砂轮的标志印在砂轮端面上，其顺序是：形状代号、尺寸、磨料、粒度号、硬度、组织号、结合剂和允许的最高线速度。例如图2-50为砂轮标志。表2-11列出了常用砂轮的名称、代号、断面图和基本用途。

4.铣刀

铣刀的种类很多，按安装方法可分为带孔铣刀和带柄铣刀两大类。带孔铣刀（见图2-51）一般用于卧式铣床，带柄铣刀（见图2-52）多用于立式铣床。

5.切齿刀具

切齿刀具是指切削各种齿轮、蜗轮、链轮和花键等齿廓形状的刀具。切齿刀具种类繁多， 按照齿形的形成原理，切齿刀具可分为两大类：成形法切齿刀具和展成法切齿刀具。

（1）成形法切齿刀具　这类刀具切削刃的廓形与被切齿槽形状相同或近似相同。较典型的成形法切齿刀具有两类。

①盘形齿轮铣刀　如图2-53所示，盘形齿轮铣刀是一种把铲齿成形铣刀，可加工直齿与斜齿轮。

②指形齿轮铣刀　如图2-54所示，指形齿轮铣刀是一把成形立铣刀。工作时铣刀旋转并进给，工件分度。这种铣刀适合于加工大模数的直齿、斜齿轮，并能加工人字齿轮。

（2）展成法切齿刀具　这类刀具切削刃的廓形不同于被切齿轮任何剖面的槽形。切齿时除主运动外，还需有刀具与齿坯的相对啮合运动，称为展成运动。工件齿形是由刀具齿形在展成运动中若干位置包络切削形成的。

展成切齿法的特点是一把刀具可加工同一模数的任意齿数的齿轮，通过机床传动链的配置实现连续分度，因此刀具通用性较广，加工精度与生产率较高。在成批加工齿轮时被广泛使用。较典型的展成切齿刀具有齿轮滚刀、插齿刀、剃齿刀及蜗轮滚刀等。

①齿轮滚刀　图2-55所示是齿轮滚刀的工作情况。滚刀相当于一个开有容屑槽的，有切削刃的蜗杆状的螺旋齿轮。滚齿可对直齿或斜齿轮进行粗加工或半精加工。

②插齿刀　图2-56所示为插齿刀的类型。插齿刀相当于一个有前后角的齿轮。插齿刀与齿坯啮合传动比由插齿刀的齿数与齿坯的齿数决定，在展成滚切过程中切出齿轮齿形。插齿刀常用于加工带台阶的齿轮如双联齿轮、三联齿轮等，特别能加工内齿轮及无空刀槽的人字齿轮，故在齿轮加工中应用很广。

常用的直齿插齿刀已标准化，按照国家标准GB/T 6081—2001规定，直齿插齿刀有盘形、碗形和锥柄插齿刀。

③剃齿刀　图2-57所示为剃齿刀的工作情况。剃齿刀相当于齿侧面开有屑槽形成切削刃的螺旋齿轮。剃齿时剃齿刀带动齿坯滚转，相当于一对螺旋齿轮的啮合运动。在一定啮合压力下剃齿刀与齿坯沿齿面的滑动将切除齿侧的余量，完成剃齿工作。剃齿刀常用于未淬火的软齿面的精加工，其精度可达IT6级以上，且生产效率很高，因此应用十分广泛。

④蜗轮滚刀　如图2-58所示，蜗轮滚刀是利用蜗杆与蜗轮啮合原理工作的，所以蜗轮滚刀产形蜗杆的参数均应与工作蜗杆相同，加工时，蜗轮滚刀与蜗轮的轴相交、中心距也应与蜗杆、蜗轮副工作状态相同。蜗轮滚刀加工蜗轮可采用径向进给或切向进给，如图2-59所示。

6.其他刀具

（1）拉刀　拉削是用拉刀加工内、外成形表面的一种加工方法。如图2-60所示，拉刀是多齿刀具，拉削时，利用拉刀上相邻刀齿的尺寸变化来切除加工余量，使被加工表面一次拉削成形，因此拉床只有主运动，无进给运动，进给量是由拉刀的齿升量来实现的。

（2）刨刀　刨削是平面加工的主要方法之一。刨削所用刀具称为刨刀（图2-61），常见刨刀有平面刨刀、偏刀、角度刀及成形刨刀。刨削属于断续切削，切削时冲击很大，容易发生“崩刃”和“扎刀”现象，因而刨刀刀杆截面比较粗大，以增加刀杆的刚性，而且往往做成弯头，使刨刀在碰到硬点时可适当产生弯曲变形而缓和冲击，以保护刀刃。

（3）插刀　插削与刨削基本相同，只是插削是在垂直方向进给。常用插刀形状见图2-62，插削时为了避免刀杆与工件相碰，插刀刀刃应该突出于刀杆。

2.3.3　刀具切削部分的几何角度

刀具的种类繁多，形状各异（如车刀、钻头、铣刀等），它们的几何形状各不相同，复杂程度也有差异。各类刀具都有各自的特性，又都存在着共性。但无论哪种刀具都由承担切削功能的切削部分和用于装夹的部分组成。其中以车刀最为简单常用，其他各种刀具的切削部分，均可看作是车刀的演变和组合。

以车刀为例了解各种类型刀具的特性，逐步认识其共性。

车刀由两大组成部分：夹持部分（刀体）和切削部分（刀头），刀头为车刀的切削部分，它由三面（前刀面、主后刀面、副后刀面）、二刃（主切削刃，副切削刃）、一尖（刀尖）组成，如图2-63所示。

1.刀具切削部分的构成要素

刀具切削部分主要由刀面和切削刃两部分构成。

（1）前面（前刀面）Ar　刀具上切屑流出的表面。

（2）后面（后刀面）Aα　刀具上与工件新形成的过渡表面相对的刀面。

（3）副后面（副后刀面）A'α　刀具上与工件新形成的过渡表面相对的刀面。

（4）主切削刃S　前面与后面形成的交线，在切削中承担主要的切削任务。

（5）副切削刃S'　前面与副后面形成的交线，它参与部分的切削任务。

（6）刀尖　主切削刃与副切削刃汇交的交点或一小段切削刃，如图2-64所示。

2.刀具角度参考平面与刀具角度参考系

为了保证切削加工的顺利进行，获得合格的加工表面，所用刀具的切削部分必须具有合理的几何形状。刀具角度是用来确定刀具切削部分几何形状的重要参数。

为了描述刀具几何角度的大小及其空间的相对位置，可以利用正投影原理，采用多面投影的方法来表示。用来确定刀具角度的投影体系，称为刀具角度参考系，参考系中的投影面称为刀具角度参考平面。

用来确定刀具角度的参考系有两类：一类为刀具角度静止参考系，它是刀具设计时标注、刃磨和测量的基准，用此定义的刀具角度称为刀具标注角度；另一类为刀具角度工作参考系，它是确定刀具切削工作时角度的基准，用此定义的刀具角度称为刀具的工作角度。

（1）刀具角度参考平面　用于构成刀具角度的参考平面主要有基面、切削平面、正交平面、法平面、假定工作平面和背平面，如图2-65所示。

①基面pr　过切削刃选定点，垂直于主运动方向的平面。通常，它平行（或垂直）于刀具上的安装面（或轴线）的平面。

②切削平面ps　过切削刃选定点，与切削刃相切，并垂直于基面pr的平面。它也是切削刃与切削速度方向构成的平面。

③正交平面po　过切削刃选定点，同时垂直于基面pr与切削平面ps的平面。

④法平面pn　过切削刃选定点，并垂直于切削刃的平面。

⑤假定工作平面pf　过切削刃选定点，平行于假定进给运动方向，并垂直于基面pr的平面。

⑥背平面pp　过切削刃选定点，同时垂直于假定工作平面pf与基面pr的平面。

（2）刀具角度参考系　刀具标注角度的参考系主要有三种：正交平面参考系、法平面参考系和假定工作平面参考系。

①即正交平面参考系　由基面pr、切削平面ps和正平面po构成的空间三面投影体系称为正交平面参考系。

②法平面参考系　由基面pr、切削平面ps和法平面pn构成的空间三面投影体系称为法平面参考系。

③假定工作平面参考系　由基面pr、假定工作平面pf和背平面pp构成的空间三面投影体系称为假定工作平面参考系。

3.刀具的标注角度

车刀的角度是在切削过程中形成的，它们对加工质量和生产率等起着重要作用。在切削时，与工件加工表面相切的假想平面称为切削平面，与切削平面相垂直的假想平面称为基面，另外采用机械制图的假想剖面（主剖面）， 由这些假想的平面再与刀头上存在的三面二刃就可构成实际起作用的刀具角度。对车刀而言，基面呈水平面，并与车刀底面平行。切削平面、主剖面与基面是相互垂直的（图2-66）。

车刀的主要角度有前角γo、后角αo、主偏角κr、副偏角κ'r和刃倾角λs（图2-67）。

（1）前角γo　前刀面与基面之间的夹角，表示前刀面的倾斜程度。前角可分为正、负、零，前刀面在基面之下则前角为正值，反之为负值，相重合为零。一般所说的前角是指正前角而言。如图2-68（a）所示。

前角的作用：增大前角，可使刀刃锋利、切削力降低、切削温度低、刀具磨损小、表面加工质量高。但过大的前角会使刃口强度降低，容易造成刃口损坏。

选择原则：用硬质合金车刀加工钢件（塑性材料等），一般选取γo=10°～20°；加工灰口铸铁（脆性材料等），一般选取γo=5°～15°。精加工时，可取较大的前角，粗加工应取较小的前角。工件材料的强度和硬度大时，前角取较小值，有时甚至取负值。

（2）后角αo　主后刀面与切削平面之间的夹角，表示主后刀面的倾斜程度。

主后刀面与切削平面重合时，后角为零；主后刀面与基面之间的夹角小于90°时，后角为正；主后刀面与基面之间的夹角大于90°时，后角为负，如图2-68（a）所示。

后角的作用：减少主后刀面与工件之间的摩擦，并影响刃口的强度和锋利程度。

一般后角可取αo=6°～8°。

（3）主偏角κr　主切削刃与进给方向在基面上投影间的夹角。

主偏角的作用：影响切削刃的工作长度（图2-69）、切深抗力、刀尖强度和散热条件。主偏角越小，则切削刃工作长度越长，散热条件越好，但切深抗力越大（图2-70）。

选择原则：车刀常用的主偏角有45°、60°、75°、90°几种。工件粗大、刚性好时，可取较小值。车细长轴时，为了减少径向力而引起工件弯曲变形，宜选取较大值。

（4）副偏角κ'r　副切削刃与进给方向在基面上投影间的夹角。

副偏角的作用：影响已加工表面的表面粗糙度（图2-71），减小副偏角可使已加工表面光洁。

选择原则：一般选取κ'r=5°～15°，精车时可取5°～10°，粗车时取10°～15°。

（5）刃倾角λs　主切削刃与基面间的夹角。主切削刃与基面重合或平行时，刃倾角为零；刀尖为切削刃最高点时，刃倾角为正值；刀尖处于最低点时，刃倾角为负值［图2-68（b）］。

刃倾角的作用：主要影响主切削刃的强度和控制切屑流出的方向。以刀杆底面为基准，当刀尖为主切削刃最高点时，λs为正值，切屑流向待加工表面，如图2-72（a）所示；当主切削刃与刀杆底面平行时，λs=0°，切屑沿着垂直于主切削刃的方向流出，如图2-72（b）所示；当刀尖为主切削刃最低点时，λs为负值，切屑流向已加工表面，如图2-72（c）所示。

选择λs原则：一般λs在0°～±5°之间选择。粗加工时，常取负值，虽切屑流向已加工表面无妨，但保证了主切削刃的强度好。精加工常取正值，使切屑流向待加工表面，从而不会划伤已加工表面的质量。

图2-73为车外圆时偏刀的几何角度。图2-74为切断刀的几何角度。

在假定工作平面pf和背平面pp中测量的刀具角度有：侧前角γf、侧后角αf、背前角γp和背后角αp，如图2-75所示。

2.3.4　刀具工作角度

刀具在使用中，应考虑合成运动和实际安装情况。按照刀具工作的实际情况，所确定的刀具角度参考系称刀具工作角度参考系，在刀具工作角度参考系中标注的刀具角度称刀具工作角度。

通常进给运动在合成切削运动中起的作用很小，在一般安装条件下，可用标注角度代替工作角度。

（1）进给运动对刀具工作角度的影响（横车时）　切断刀切断工件时的情况如图2-76所示。

当考虑进给运动时，切削刃上A点的运动轨迹是一条阿基米德螺旋线，实际切削平面Pse为过A点且切于螺旋线的平面，实际基面Pre为过A点与Pse垂直的平面，在实际测量平面内的前、后角分别称为工作前角γoe和工作后角αoe，其大小为：

γoe=γo+η

αoe=αo-η

式中　η——合成切削速度角，是主运动方向与合成切削速度方向的夹角；

f——刀具相对工件的横向进给量，mm/r；

dw——切削刃上选定点A处的工件直径，mm。

不难看出，切削刃越接近工件中心，dw值越小，η值越大，γoe越大，而αoe越小，甚至变为零或负值，对刀具的工作越不利。

（2）刀尖位置高低对工作角度的影响　安装时，刀尖不一定在机床中心高度上。如刀尖高于机床中心高度，如图2-77所示。

此时选定点A的基面和切削平面已变为过A点的径向平面pre和与之垂直的切平面pse，其工作前角和后角分别为γpe、αpe。可见刀具工作前角γpe比标注前角γp增大了，工作后角αpe比标注后角αp减小了。其关系为：

γpe=γp+θp

αpe=αp-θp

式中　θp——刀尖位置变化引起前后角的变化值，rad；

h——刀尖高于机床中心线的数值，mm；

dw——工件直径，mm。

2.3.5　刀具几何参数的合理选择

刀具的几何参数除包括刀具的切削角度外，还包括刀面的形式，切削刃的形状，刃区型式（切削刃区的剖面型式）等。刀具几何参数对切削时金属的变形、切削力、切削温度和刀具磨损都有显著影响，从而影响生产率、刀具寿命、已加工表面质量和加工成本。为充分发挥刀具的切削性能，除应正确选用刀具材料外，还应合理选择刀具几何参数。

1.前角的选择

前角的大小决定切削刃的锋利程度和强固程度。增大前角可使刀刃锋利，使切削变形减小，切削力和切削温度减小，可提高刀具寿命，并且，较大的前角还有利于排除切屑，使表面粗糙度减小。但是，增大前角会使刃口楔角减小，削弱刀刃的强度，同时，散热条件恶化，使切削区温度升高，导致刀具寿命降低，甚至造成崩刃。所以前角不能太小，也不能太大。

刀具合理前角通常与工件材料、刀具材料及加工要求有关。

首先，当工件材料的强度、硬度大时，为增加刃口强度，降低切削温度，增加散热体积，应选择较小的前角；当材料的塑性较大时，为使变形减小，应选择较大的前角；加工脆性材料，塑性变形很小，切屑为崩碎切屑，切削力集中在刀尖和刀刃附近，为增加刃口强度，宜选用较小的前角。通常加工铸铁γopt=5°～15°；加工钢材γopt=10°～12°；加工紫铜γopt=25°～35°；加工铝γopt=30°～40°。

其次，刀具材料的强度和韧性较高时可选择较大的前角。如高速钢强度高，韧性好；硬质合金脆性大，怕冲击；而陶瓷刀应比硬质合金刀的合理前角还要小些。

此外，工件表面的加工要求不同，刀具所选择的前角大小也不相同。粗加工时，为增加刀刃的强度，宜选用较小的前角；加工高强度钢断续切削时，为防止脆性材料的破损，常采用负前角；精加工时，为增加刀具的锋利性，宜选择较大前角；工艺系统刚性较差和机床功率不足时，为使切削力减小，减小振动、变形，故选择较大的前角。

2.后角的选择

刀具后角的作用是减小切削过程中刀具后刀面与工件切削表面之间的摩擦。后角增大，可减小后刀面的摩擦与磨损，刀具楔角减小，刀具变得锋利，可切下很薄的切削层；在相同的磨损标准VB时，所磨去的金属体积减小，使刀具寿命提高；但是后角太大，楔角减小，刃口强度减小，散热体积减小，αo将使刀具寿命减小，故后角不能太大。

刀具的合理后角的选择主要依据切削厚度ac（或进给量f）的大小。ac增大，前刀面上的磨损量加大，为使楔角增大以增加散热体积，提高刀具寿命，后角应小些；ac减小，磨损主要在后刀面上，为减小后刀面的磨损和增加切削刃的锋利程度，应使后角增大。一般车刀合理后角αopt与进给量f的关系为：f>0.25mm/r，αopt=5°～8°；f≤0.25mm/r，αopt=10°～12°。

刀具合理后角αopt取决于切削条件，一般原则如下。

（1）材料较软，塑性较大时，已加工表面易产生硬化，后刀面摩擦对刀具磨损和工件表面质量影响较大，应取较大的后角；当工件材料的强度或硬度较高时，为加强切削刃的强度，应选取较小的后角。

（2）切削工艺系统刚性较差时，易出现振动应使后角减小。

（3）对于尺寸精度要求较高的刀具，应取较小的后角。这样可使磨耗掉的金属体积较多，刀具寿命增加。

（4）精加工时，因背吃刀量ap及进给量f较小，使得切削厚度较小，刀具磨损主要发生在后面，此时宜取较大的后角。粗加工或刀具承受冲击载荷时，为使刃口强固，应取较小后角。

（5）刀具的材料对后角的影响与前角相似。一般高速钢刀具可比同类型的硬质合金刀具的后角大2°～3°。

（6）车刀的副后角一般与主后角数值相等，而有些刀具（如切断刀）由于结构的限制，只能取得很小。

3.主偏角的选择

主偏角κr的大小影响着切削力、切削热和刀具寿命。当切削面积Ac不变时，主偏角减小，使切削宽度aw增大，切削厚度ac减小，会使单位长度上切削刃的负荷减小。使刀具寿命增加；主偏角减小，刀尖角εr 增大，使刀尖强度增加，散热体积增大，使刀具寿命提高；主偏角减小，可减少因切入冲击而造成的刀尖损坏；减小主偏角可使工件表面残留面积高度减小，使已加工表面粗糙度减小。但是，减小主偏角，将使径向分力Fp增大，引起振动及增加工件挠度，这会使刀具寿命下降，已加工表面粗糙度增大及降低加工精度。主偏角还影响断屑效果和排屑方向。增大主偏角，使切屑窄而厚，易折断。对钻头而言，增大主偏角，有利于切屑沿轴向顺利排出。因此，主偏角可根据不同加工条件和要求选择使用，一般原则如下。

（1）粗加工、半精加工和工艺系统刚性较差时，为减小振动提高刀具寿命，选择较大的主偏角。

（2）加工很硬的材料时，为提高刀具寿命，选择较小的主偏角。

（3）据工件已加工表面形状选择主偏角。如加工阶梯轴时，选κr= 90°；需45°倒角时，选κr= 45°等。

（4）有时考虑一刀多用，常选通用性较好的车刀，如κr=45°或κr=90°等。

4.副偏角的选择

副偏角κ'r的作用是减小副切削刃和副后刀面与工件已加工表面间的摩擦。副偏角对刀具耐用度和已加工表面粗糙度都有影响。副偏角减小，会使残留面积高度减小，已加工表面粗糙度减小；同时，副偏角减小，使副后刀面与已加工表面间摩擦增加，径向力增加，易出现振动。但是，副偏角太大，使刀尖强度下降，散热体积减小，刀具寿命减小。

一般选取：精加工κ'r =5°～10°；粗加工κ'r=10°～15°。

有些刀具因受强度及结构限制（如切断车刀），取κr' =1°～2°。

5.刃倾角的选择

刃倾角λs的作用是控制切屑流出的方向、影响刀头强度和切削刃的锋利程度。当刃倾角λs>0°时，切屑流向待加工表面；λs=0°时，切屑沿主剖面方向流出；λs<0°时，切屑流向已加工表面，如图2-78所示。粗加工时宜选负刃倾角，以增加刀具的强度；在断续切削时，负刃倾角有保护刀尖的作用，因此，当λs=0°时，切削刃全长与工件同时接触，因而冲击较大；当λs>0°时，刀尖首先接触工件，易崩刀尖；当λs<0°时，离刀尖较远处的切削刃先接触工件，保护刀尖。当工件刚性较差时，不易采用负刃倾角，因为负刃倾角将使径向切削力FP增大。精加工时宜选用正刃倾角，可避免切屑流向已加工表面，保证已加工表面不被切屑碰伤。大刃倾角刀具可使排屑平面的实际前角增大，刃口圆弧半径减小，使刀刃锋利，能切下极薄的切削层（微量切削）。

刃倾角主要由切削刃强度与流屑方向而定。一般加工钢材和铸铁时，粗车取λs=-5°～0°，精车取λs=0°～5°，有冲击负荷时取λs=-15°～-5°。

刀具各角度间是互相联系互相影响的，而任何一个刀具的合理几何参数，都应在多因素的互相联系中确定。

2.3.6　切削液的合理选择

1.切削液的作用

切削液进入切削区域，可以改善切削条件，提高工件的加工质量和切削效率。与切削液有相似功效的还有某些气体和固体，如压缩空气、二硫化铝和石墨等。切削液的主要作用如下。

（1）冷却作用　切削液能从切削区域带走大量的热量，从而降低切削区的温度。切削液冷却性能的好坏，取决于它的热导率、比热容、汽化热、汽化速度、流量和流速等。

（2）润滑作用　切削液能渗透到刀具与切屑和加工表面之间，形成一层润滑膜，以减小他们之间的摩擦。切削液的润滑效果主要取决于切削液的渗透能力、吸附成膜能力和润滑膜的强度等。

（3）清洗作用　切削液大量流动，可以冲走切削区域和机床上的细小切屑和脱落的磨粒。清洗性能的好坏，主要取决于切削液的流动性、使用压力和切削液的油性。

（4）防锈作用　在切削液中加入防锈剂，可在金属表面形成一层保护膜，对工件、机床、刀具和夹具等都能起到防锈作用。防锈作用的强弱，主要取决于切削液本身的成分和添加剂的作用。

2.切削液的种类

（1）水溶液　水溶液是以水为主要成分的切削液。

（2）切削油　切削油的主要成分是矿物油。可在其中加入油性添加剂和极压添加剂，以改善其油性及极压性。

（3）乳化液　乳化液是通过乳化添加剂形成的切削油和水溶液的混合液。其性能介于水溶液和切削油之间。也可在其中加入油性添加剂或极压添加剂，以改善其油性或极压性。

3.切削液的选择原则

切削加工的多样性导致切削液选择的复杂性，切削液的选择原则较多，大致可归纳为如下几条。

（1）能延长刀具寿命　这是大多数情况下切削液应具有的重要功能。切削液通过降低刀尖温度以延长刀具寿命。在正常切削速度范围内，使用高速钢刀具是通过化学作用生成润滑膜来减轻摩擦、降低温度的。对硬质合金钢刀具，选择切削液应注意通过热传递（冷却作用）来降低刀尖温度。

（2）能改善工件表面粗糙度　在低速加工中（如攻丝）采用具有化学活性的切削液可减少切屑瘤，从而改善加工件的表面粗糙度。

（3）易清除切屑　清除切屑是切削液的一项重要性能。如在钻孔中，需用切削液及时将切屑排出孔外。切削液的密度和流速对清除切屑有重要影响。具有较大密度及较高流速工作的切削液可表现出良好的排屑性能，因较重的液体在高流速下可传递更多的功能以达到清除切屑的目的。通常水基切削液较油基切削液的密度大，具有更好的排屑性能。

（4）浅色、低挥发性、低气味　工厂中的操作人员都喜欢拥有一个良好的工作环境，因而不喜欢使用对皮肤有刺激性、易产生油雾、易弄脏衣服的切削液。

（5）具有润滑性和抑制腐蚀的能力　选择切削液时还应考虑的两个因素是润滑性和抑制腐蚀的能力。就流体润滑而言，当加工件需依靠切削液润滑时，其润滑作用变得非常重要。切削油相对于水基液而言具有更好的润滑性，使用水基液应具有良好的抗腐蚀性能，某些添加剂应能在加工件表面和刀具上形成保护膜，隔离空气中的氧气起到防锈作用。在某些场合下，因防锈剂及减摩剂的失效需定期更换切削液。

4.影响切削液性能的因素

切削液的使用性能主要表现为冷却与减摩作用。

（1）冷却性能　切削液的冷却能力可粗略地通过比热来确定。比热越大，冷却性能越佳。此外，影响切削液性能的因素还有密度、黏度及表面张力。密度越大、黏度越低、表面张力越小的切削液其冷却性能越好。根据上述性能，水可很好地用于切削液，当使用特殊的添加剂后，可降低表面张力，有利于冷却。此外，水还具有很高的蒸发潜热，对提高切削液冷却性能十分有利。

（2）减摩性能　切削液的减摩性能取决于化学组成。天然脂肪油含有减摩成分，具有良好的减摩性能；而矿物油和水基乳化液则依赖于添加剂，但不能仅凭加入的添加剂来判定切削液的性能优劣，关键应看添加剂在实际切削试验中是否能在加工工件、刀具表面上形成良好的润滑膜。若所加入的添加剂之间发生不利的化学反应，则不能充分发挥添加剂的功能。